一種高性價比的相控陣雷達新技術?

(中國電子科技集團公司第二十研究所,陜西西安710068)

0 引言

由于現代戰爭作戰方式多變和戰爭形態復雜的特點,需要拓新雷達技術性能和提高雷達生存能力,盡可能地降低軍備經費投入。為了滿足雷達多功能、多任務的工作方式,數字波束形成技術是目前相控陣雷達發展最具潛質的技術[1]。通過對國外前沿技術的跟蹤,相控陣雷達向著數字化、軟件化加速發展,擴頻數字波束形成(SSDBF)技術能夠最大限度地降低數字多波束雷達硬件成本,實現天線薄片化設計,克服常規數字多波束(CDBF)雷達的體積、重量、散熱、頻率(X到Ka或更高)、帶寬(100 MHz以上)和子陣尺寸(每個子陣有100個以上單元)可擴展問題[2],是一種“高性價比”的新體制相控陣雷達系統,具有相控陣雷達發展前瞻性。

本文將根據國外近幾年研制的SSDBF技術,對實現CDBF相控陣雷達能力進行研究,為后續的工程研制驗證提供理論支撐。

1 CDBF雷達工程實現存在的不足

(1)常規的相控陣雷達中收發波束形成所需的幅度相位加權是在射頻端通過衰減器和移相器來實現的[3],其幅度和相位控制的精確性較低、功率損耗較大;

(2)隨著陣列單元數增加,陣列的通道數也隨之增加,帶來通道一致性問題,使整個陣列頻繁校準;

(3)由于MMIC T/R組件和通道數的增加,導致實現CDBF技術的成本高、尺寸大、重量重、功率高、熱量大、采集總數據量大問題;

(4)對于高頻應用(如X、Ku、Ka波段),CDBF頻率擴展性主要受限于每個陣列單元“后面”的電子設備的體積,特別受限于可用于散熱的區域,導致頻率擴展性問題;

(5)對于大帶寬應用,CDBF主要受限為ADC的高速采樣速率[2],帶來數據總線的高速率、大容量和復雜度;

(6)對于大型陣列的可擴展性而言,CDBF的相關設計和實現問題是在“真實”溫度(MMIC和放大器等引起的內部溫度波動)范圍內所有收發器的同步(在載波級和ADC采樣頻率與定時級)問題。

2 SSDBF雷達技術的優勢

具有提高通信系統可靠傳輸信息能力的擴頻技術,應用在實現常規數字多波束相控陣雷達系統中,能夠克服CDBF上述問題。SSDBF雷達發射信號基于天線單元基帶產生和多路復用、高頻解復用,克服了天線移相器和多波束雷達多通道問題,解決了通道一致性和數據采集量大的問題;天線發射/接收單元的二相調制開關,使天線可實現薄片化設計和頻率、帶寬可擴展,降低系統復雜度。采用SSDBF技術可以大幅降低全數字陣列多波束雷達的硬件成本、天線熱耗、體積并提高其頻率和帶寬。

鑒于擴頻數字波束形成技術的上述優點,可將其應用于對重量、體積、散熱、成本要求較高的相控陣雷達裝備上。對高頻發射信號進行基于各個天線單元(或子陣單元)真正移位正交碼(TSOC)調制,可以擴展為MIMO雷達和對LPD/LPI要求的雷達中。對帶寬、頻率的擴展應用,可以作為合成孔徑雷達,進行視場成像。另外,由于該體制天線上的高頻二相調制器,可以芯片設計,在不降低天線口徑和副瓣電平的情況下,進行MIMO虛擬陣列設計。該體制可以應用在多基地雷達,構建天地空布防系統等。尤其在地質環境差、工作條件復雜的情況下可以進行機動靈活的站位工作。

該技術能大幅降低數字多波束相控陣雷達的硬件成本并提升其性能,具有靈活動態發射信號、子陣規劃配置特點,具有重大軍事、經濟意義和廣闊的應用前景。

3 SSDBF技術重構CDBF相控陣雷達系統

3.1 擴頻解擴

擴頻通信技術是指待傳輸信息信號的頻譜用某個特定的擴頻函數擴展頻譜后成為寬頻帶信號,然后送入信道中傳輸;在接收端再利用相應的技術或手段將展寬的頻譜進行壓縮,恢復為原來待傳輸信息的帶寬,從而達到傳輸信息目的通信系統[4]。傳輸同樣信息信號所需要的傳輸帶寬,遠遠超過常規通信中各種調制方式所要求的帶寬。信息已經不再是決定傳輸信號帶寬的重要因素,傳輸信號的帶寬主要由擴頻函數決定[4]。擴頻通信系統主要有兩個特點:一是傳輸信號的帶寬遠遠大于被傳輸原始信息信號的帶寬;二是傳輸信號的帶寬主要由擴頻函數決定。擴頻函數通常是偽隨機(偽噪聲)編碼信號[5]。

3.2 多路復用解復用

多路復用解復用是通過對偽隨機序列碼的選取,選擇TSOC,TSOC具有良好的自相關特性、互相關函數有處處為0的互相關值,有足夠的復雜度,并易于產生和處理的特性,因此SSDBF將TSOC用作雷達波形編碼及陣列回波信號再調制和多路復用的傳輸工具。由于TSOC具有時域、頻域移位正交性[2],因此在基帶利用TSOC,以擴頻處理增益(TSOC碼長)檢測旋轉相關器輸出信號,同時可完整再現雷達信號探測目標的延時、衰減、多路徑等變換。TSOC還具有碼長任意性,和一個碼長具有任意個不同的TSOC族,可以應用在一些對LPD/LPI要求的雷達中。

由于上述TSOC的特性,雷達發射信號基帶產生并多路復用,天線高頻二相調制解復用;接收天線高頻回波二相調制多路復用,信號處理數字域旋轉相關解復用,應用多路復用解復用有效實現數字陣多波束相控陣雷達系統僅采用一個發射通道、一個接收通道、天線高頻二相調制開關的總體結構設計。

3.3 SSDBF 技術機理仿真

SSDBF技術系統的發射信號是由軟件產生基于各個輻射天線單元n發射基帶信號sn(t),通過TSOC編碼cn(t)擴頻技術處理合成后,實現發射信號復用。復用的發射信號通過各個單元相關解復用提取各自的發射信號。接收信號是發射的逆過程,接收復用信號再由旋轉相關解復用檢測,應用算法軟件實現數字多波束。

以下是通過產生16(n=16)組m序列擴頻碼,對具有16個賦權發射信號s1(t)～s16(t),進行調制、合成,然后再通過16組擴頻碼c1(t)～c16(t)相關解擴檢測,通過算法實現波束形成。仿真頻率參數為100 M Hz,天線單元間距為0.5λ,掃描角度θ為0°。

仿真圖中只截取了4個單元仿真圖形進行說明。擴頻碼為m序列碼,擴頻碼特征多項式為

式中,n=9,反饋系數Ci1=1 021,Ci2=1 055。

相位權為

幅度權為

仿真圖形如圖1～3所示。

圖1 4路發射信號的實部(時域圖形)

圖2 4路擴頻后信號(時域圖形)

圖3 16路發射聚合信號(時域圖形)

圖4是通過對1路進行發射通道處理過程的頻域仿真,其中包括原始信號頻譜、擴頻碼的頻譜、擴頻后信號頻譜、上變頻信號后的頻譜。

圖5是從聚合信號中提取1路權值的仿真過程。

從圖5中取其中的0.1μs放大,得到圖6。

圖7為圖5對應的頻譜圖形。

波束形成:指向角θ=0°,16個天線單元的波束形成結果如圖8所示。

通過對TSOC編碼的選取,經過仿真驗證,無論是發射通道還是接收通道的擴頻傳輸原理,都是經過擴頻TSOC編碼調制,然后用同樣的TSOC編碼解擴,能夠實現擴頻傳輸,實現數字波束形成。

圖4 頻域仿真圖

圖5 權值提取過程

圖6 權值提取過程(局部放大)

圖7 頻域仿真圖

圖8 波束形成結果

4 結束語

SSDBF技術可以實現數字多波束相控陣雷達性能,大幅降低數字多波束相控陣雷達成本、體積、重量、熱量,以及解決在寬帶與頻率可擴展性等問題,由于發射信號基帶產生,發射不同波形信號可靈活配置,通過TSOC編碼對高頻發射信號調制,可以擴展為MIMO雷達和合成孔徑雷達。適用在對體積、重量、散熱、成本有特殊要求平臺裝備上,對頻率高、帶寬寬的雷達更能顯現優勢,適合未來一定時期的戰場軍備武器需要和民用需求。

[1]張光義,趙玉潔.相控陣雷達技術[M].3版.北京:電子工業出版社,2010.

[2]BERGAMO M A.Spread Spectrum Digital Beamforming(SSDBF)Radar[C]∥2010 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology,[S.l.]:IEEE,2010:665-672.

[3]斯科尼克.雷達系統導論[M].3版.左群聲,徐國良,馬林,等譯.北京:電子工業出版社,2010.

[4]田日才.擴頻通信[M].北京:清華大學出版社,2007.

[5]暴宇,李新民.擴頻通信技術及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2011.